煤巖吸附—滲流—力學耦合測試系統(tǒng)教學實踐

劉清泉 盧彥飛 王亮 劉嫄嫄 黃文怡

摘? 要 搭建煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)，可供學生進行煤的基礎力學特性探究實驗，為礦井瓦斯防治課程實驗教學提供設備支持。通過“演示講解—煤樣制備—實驗設計—數(shù)據(jù)采集分析”全流程引導學生主動鉆研，從理論和實驗兩方面加強學生對于煤巖力學特性的理解。將科學研究與實驗教學相結合，激發(fā)學生科研興趣，培養(yǎng)學生的科研思維，助力安全科學與工程“一流學科”建設。

關鍵詞 一流學科;煤體力學;力學實驗;“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）10-0018-04

Teaching Practice of Coupling Instrument to Measure Adsorp-tion-Stress-Permeability Parameters of Coal and Rock//LIU Qing-quan， LU Yanfei， WANG Liang， LIU Yuanyuan， HUANG WenyiAbstract The coupling instrument to measure “adsorption-stress-per-meability” of coal and rock is built， which provides equipment supportfor the experiment teaching and exploration of coal mechanical pro-perties. Based on the process of “demonstration， coal sample prepa-ration， test design and data collection and analysis”， the students are guided so that they can change passive learning into active research thinking， enhancing students understanding of the mechanical pro-perties of coal and rock. By combining scientific research with expe-rimental teaching， the students generate a lot of interest in scientific?research， and their scientific thinking improves. The teaching prac-tice will contribute to the development of “first-class disciplines” in safety science and engineering.

Key words first-class disciplines; coal mechanics; mechanical test; coupling instrument to measure adsorption-stress-permeability

0? 前言

中國礦業(yè)大學安全工程實驗教學中心經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，通過深度融合國家重點實驗室、國家工程研究中心和教育部重點實驗室等實驗資源，在實驗教學方面獲得長足的發(fā)展和進步[1]。通過將領域內(nèi)的科研新進展融入實驗教學，鼓勵學生在教師的引導下自主設計實驗并開展實驗分析，培養(yǎng)學生的科研興趣和自主解決問題的能力，助力安全科學與工程“一流學科”建設[2]。

煤層是經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代所形成的一種穩(wěn)定沉積巖體，強度一般遠小于巖石。在現(xiàn)場煤礦生產(chǎn)過程中，各種采掘活動會引發(fā)煤巖體受力狀態(tài)發(fā)生改變，同時伴隨煤體的損傷破壞[3]。當煤巖體承受的應力達到其發(fā)生破壞的臨界條件時，將會發(fā)生破壞損傷，其力學承載能力大幅下降，應力擾動范圍將進一步發(fā)展，滲透率也隨之改變。對煤體的力學特性和損傷破壞機制進行研究，對理論研究和現(xiàn)場采掘工作都具有重要意義[4]。

在實驗室開展力學實驗，是獲得煤巖體力學特征的重要手段[5]。通過親自動手實驗，學生能夠?qū)γ后w的承載能力與變形特性有更加直觀的認識，有助于學生深入理解保護層開采、水力沖孔等現(xiàn)場煤層卸壓增透技術的理論依據(jù)，引導學生將課堂所學理論應用于實踐，激發(fā)學生對安全工程專業(yè)的學習興趣。

煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)是中國礦業(yè)大學煤礦瓦斯治理國家工程研究中心的重要基礎實驗設備，該實驗裝置可以實現(xiàn)煤巖體力學、滲透特性研究，即煤巖體的單軸、三軸力學壓縮破壞實驗，恒溫條件煤體多種氣體吸附滲透率測定，以及實驗過程中煤巖體力學損傷過程中的聲發(fā)射信號監(jiān)測。該實驗裝置實現(xiàn)了煤巖體力學、滲透性的測試，能夠讓學生直觀地觀察和理解煤樣破壞裂隙發(fā)育的全過程。

1? 煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)研制

如圖1所示，煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)按功能可分為四個模塊，分別為力學加卸載模塊、滲透性測試模塊、溫度控制模塊和聲發(fā)射監(jiān)測模塊，不同模塊的配合使用可以開展不同類型的實驗。

1.1? 力學加載模塊

力學加載模塊通過伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)軸壓和圍壓的加卸載，組成部件主要包括單軸加壓框架、三軸壓力室、伺服系統(tǒng)、軸壓柱塞泵、圍壓柱塞泵及加載控制系統(tǒng)。其中最大設計軸向載荷為600 kN，最大設計圍壓為50 MPa，二者的控制精度≤±1%。

利用本系統(tǒng)可以開展煤巖的假三軸力學實驗，實驗過程中煤的變形參數(shù)通過軸向和徑向應變計記錄，二者的最大量程分別為8 mm和4 mm。二者的工作溫度范圍-55～200 ℃，

工作環(huán)境壓力最高可達20 kPa，線性誤差小于0.25%。實驗表明，兩種傳感器均可實現(xiàn)高溫高壓下的煤體變形監(jiān)測。

加載模塊是開展力學實驗的核心模塊，通過改變圍壓可以模擬不同的地應力狀態(tài)及不同的應力路徑，進而獲得不同條件下煤的強度與變形特性。

1.2? 聲發(fā)射監(jiān)測模塊

煤巖破壞過程中由于破裂將產(chǎn)生彈性波信號，利用聲發(fā)射探頭監(jiān)測該信號實現(xiàn)對煤巖樣品內(nèi)部應力狀態(tài)和力學特性的測試，主要用于耦合力學加卸載模塊，從而實時采集煤巖在應力作用下裂隙發(fā)育所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。利用收集到的信號可以研究煤體內(nèi)部的損傷破裂情況，并且結合力學加載模塊測得的變形數(shù)據(jù)探究煤體宏觀破壞特征。該模塊具有24通道高速數(shù)據(jù)采集通道，采集內(nèi)容包括聲發(fā)射的能量、波形、幅值、計數(shù)等相關參數(shù)，其對信號的接收頻率最高可以達到0.1微秒。在實驗過程中，為了實現(xiàn)對煤體的全方位監(jiān)測，采用六個探頭均勻布置在煤體上下端，并使用彈簧進行固定，保證探頭與煤壁貼合緊密。完整的力學實驗中傳感器及聲發(fā)射探頭安裝示意如圖2所示，徑向變形和軸向變形傳感器用于采集煤體變形數(shù)據(jù)，聲發(fā)射探頭采集煤體損壞過程中發(fā)出的聲波信號。

1.3? 滲透性測試模塊

滲透性測試模塊實驗裝置基于瞬態(tài)壓力脈沖法設計，通過向煤樣的一端施加壓力脈沖，測量煤樣兩端的壓力差隨時間的變化來計算滲透率。滲透性測試模塊包括美國Tele-

dyne ISCO公司生產(chǎn)的高精度計量泵（型號500D）、水浴系統(tǒng)，以及由真空泵、儲氣罐、氣源及耐壓管路組成的氣路系統(tǒng)。計量泵提供氣體壓力最大為40 MPa，可對實驗氣體進行壓力控制和流量控制。耐壓管路最大可承受壓力為100 MPa，可進行CH4、CO2、N2和He等氣體的滲流實驗。

1.4? 溫度控制模塊

溫度控制模塊主要用于保持實驗過程中三軸壓力室及氣體管路系統(tǒng)的溫度恒定，該模塊主要由電阻加熱帶和恒溫水浴系統(tǒng)組成。電阻加熱帶包裹力學加載模塊的三軸壓力室，恒溫水浴用于浸沒實驗系統(tǒng)的氣體管路系統(tǒng)，保證開展力學或滲透實驗時不受溫度波動的影響。通過恒溫系統(tǒng)控制實驗溫度，溫度控制精度≤±0.2 ℃。

2? 煤巖體力學損傷特性實驗教學方案

煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)可以完成煤樣基礎力學參數(shù)測試、變形與破壞特征測試、裂隙演化監(jiān)測及煤樣滲透性測試等多種實驗教學內(nèi)容。限于篇幅，本文以煤體基礎力學特性實驗及破壞過程中聲發(fā)射監(jiān)測為例，設計完整的煤體變形、強度及裂隙演化探索實驗。

2.1? 實驗材料

實驗煤樣為圓柱體標準試件，直徑50 mm，高度100 mm。

煤樣加工精度需滿足國標（GB/T 23561.8—2009）要求，即樣品兩端面不平行度誤差不大于0.005 mm，端面不平整度誤差不大于0.02 mm;沿煤樣高度上直徑誤差不大于0.3 mm;

端面垂直于試件軸線，最大偏差不大于0.25°。制備完成的煤樣如圖3所示。

實驗設計為煤的常規(guī)單軸和三軸壓縮實驗，獲取實驗煤體的應力—應變特征，不同應力條件下的煤體抗壓強度和變形特征參數(shù)，并采用聲發(fā)射模塊監(jiān)測煤體損傷過程中實時微觀裂紋擴展特性。實驗方案設計見表1。

2.3? 實驗步驟

1）在煤樣兩端對齊實驗用壓頭，用熱縮管把煤樣密封嚴實，防止實驗過程中煤體碎裂后進入三軸壓力室，污染液壓油。

2）按順序依次安裝、連接軸向、徑向應變計和聲發(fā)射探頭，安裝完成后需將傳感器調(diào)零。緩慢放下三軸壓力室腔體（單軸實驗忽略此步驟），到達指定位置后將三軸壓力室進行密封。

3）施加圍壓，需將三軸壓力室上下游管路同時打開，利用充油泵向壓力室泵入液壓油，排空空氣，待壓力室充滿液壓油后，首先關閉上游閥門，進而關閉下游閥門，防治空氣進入壓力室。之后，利用圍壓泵及伺服系統(tǒng)將圍壓平穩(wěn)地增至實驗所設定的數(shù)值。

4）通過電子繼電器控制主油缸升起，使煤樣上端與壓頭完全接觸，利用軸壓泵及伺服系統(tǒng)以200～500 N/s的速度（基于實驗樣品的強度特性確定）施加軸向載荷，直至煤樣被破壞。

5）當施加的應力達到煤樣的峰值強度后，煤樣產(chǎn)生失穩(wěn)破壞。

6）加載實驗停止后卸除圍壓與軸壓，排出壓力室中的液壓油，將煤樣取出，剪開煤樣周圍熱縮管，觀察煤體破碎情況。

3? 實驗結果分析

3.1? 應力—應變與力學強度特征

實驗過程中煤體在軸向壓縮的作用下發(fā)生變形，直至整體發(fā)生破壞。在此過程中采集主應力σ1、煤體軸向應變ε1和徑向應變ε3，進行統(tǒng)計分析，繪制煤體在不同圍壓條件下的全應力—應變特征曲線，如圖4所示。

由圖4可知，煤體在軸向壓縮過程中變形特性符合典型的彈塑性變形。隨著軸向應力的增加，煤體變形初期近似為直線的彈性變形，在峰前即將破壞時出現(xiàn)峰前硬化的特征，在峰后發(fā)生塑性破壞，表現(xiàn)出應變軟化的現(xiàn)象[6]。煤體峰前變形在單軸和三軸壓縮條件下表現(xiàn)相似，而在峰后階段，單軸條件下煤體迅速破壞，出現(xiàn)應變軟化特征，應力下降進入殘余強度階段[7-8]。對于三軸壓縮實驗，圍壓的存在使得峰后應變軟化程度減弱，煤體承載強度顯著提高。

3.2? 變形特征參數(shù)

煤體的變形參數(shù)是描述煤體變形特性的重要指標，可以通過對應力—應變曲線進行計算獲得，主要包括彈性模量E和泊松比μ。彈性模量表示彈性階段應力與應變的關系，泊松比是試樣受壓后徑向應變與軸向應變之間的關系[9]。單軸實驗時的彈性模量和泊松比的計算公式為：

E=σ1/ε1? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

μ=-ε3/ε1? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，σ1為軸向應力，ε1為軸向應變。

三軸實驗時的彈性模量和泊松比的計算公式為：

式中，B=ε3/ε1。

依據(jù)以上公式，經(jīng)過計算可得該煤樣在單軸和三軸壓縮下的彈性模量和泊松比，結果如表2所示。由計算結果可知，單軸壓縮條件下的煤體彈性模量顯著低于三軸壓縮條件下的彈性模量，表明圍壓的存在能顯著增強煤體抵抗應力變形的能力，減弱煤體在軸壓加載條件下發(fā)生的破壞。

3.3? 煤體損傷聲發(fā)射特征

聲發(fā)射監(jiān)測主要通過采集實驗過程中煤體破壞的聲發(fā)射技術和能量進行統(tǒng)計分析，分別用AE計數(shù)和AE能量表示，兩個指標與煤體損傷成正相關關系。通過對兩個指標的分析，能夠了解煤體中的裂隙發(fā)育及損傷破壞情況[10]。實驗結果如圖5所示，圖中AE能量表示三軸壓縮條件下煤樣中裂隙發(fā)育的強度特征，AE累計計數(shù)、能量為三軸壓縮煤樣過程中監(jiān)測得到的聲發(fā)射總計數(shù)和總能量。由圖可見，AE計數(shù)和AE能量隨著煤體承受的主應力增加而增加，在煤體進入塑性破壞階段后開始顯著增加，煤樣峰值破壞時達到最大值，峰后有所減弱。大量研究表明，煤體在塑性損傷破壞過程中伴隨裂隙的發(fā)育[11-12]，與聲發(fā)射監(jiān)測的結果相符：在最大主應力達到破壞峰值后，AE累計量急劇增加，表明內(nèi)部裂隙數(shù)量大幅增加，煤體破壞加劇。

4? 實驗教學效果

4.1? 理論結合實踐，深入學習煤體力學性質(zhì)

通過煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)開展煤巖體力學損傷特性實驗，能夠使學生從煤巖體宏觀破壞和微觀裂隙發(fā)育兩個角度直觀了解煤巖體損傷破壞過程，更深入地理解本專業(yè)力學知識，引導學生了解煤礦安全領域?qū)αW知識的應用，實現(xiàn)課本與實踐的結合。

4.2? 規(guī)范實驗操作，提升科研能力

常規(guī)煤巖體力學實驗在工程領域發(fā)展較為成熟，國家推出大量相關標準指導實驗的進行和計算。通過實踐操作，引導學生學習相關標準，進行規(guī)范操作，培養(yǎng)學生安全精確地開展實驗。實驗過程中采集大量數(shù)據(jù)，學生在數(shù)據(jù)處理分析過程中會完整地學習到MATLAB等處理軟件和方法。結合實驗后對破壞煤樣的直觀觀察，進一步培養(yǎng)學生分析實驗的科學素養(yǎng)，激發(fā)科研興趣，提升科研能力。

5? 結論

煤巖“吸附—滲流—力學”耦合測試系統(tǒng)為安全工程專業(yè)學生提供了系統(tǒng)探究煤巖體力學性能、滲透性能的重要實驗平臺。通過不同模塊的耦合，完成常規(guī)力學加載破壞、煤體變形破壞特征監(jiān)測和煤體滲透性測試等多個實驗教學。通過對該實驗裝置的實驗學習，學生能夠直觀了解煤巖體損傷破壞過程，理解礦井瓦斯防治卸壓瓦斯抽采的理論依據(jù)，培養(yǎng)動手能力，激發(fā)科研興趣，提升科研能力?！?/p>

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